(57)【要約】【課題】ピン層，スペーサ層，フリー層の積層構造を用いない磁気抵抗効果素子を提供する。【解決手段】磁気抵抗効果素子が，磁化方向が実質的に固着された第１の磁性層と，前記第１の磁性層上に配置され，かつ酸化物，窒化物，酸窒化物，金属のいずれか１つからなる薄膜層と，前記薄膜層上に配置され，かつ磁化方向が実質的に固着された第２の磁性層と，を具備する。薄膜層が外部磁場を検知することで，磁気抵抗効果素子の磁気抵抗が変化する。【選択図】図１
2007299880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が実質的に固着された第１の磁性層と，
前記第１の磁性層上に配置され，かつ酸化物，窒化物，酸窒化物，金属のいずれか１つからなる薄膜層と，
前記薄膜層上に配置され，かつ磁化方向が実質的に固着された第２の磁性層と，
を具備することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記薄膜層が，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｐｄ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗから選択される少なくとも１つの元素を含有する酸化物，窒化物，または酸窒化物からなることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記薄膜層が，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｐｄから選択される少なくとも１つの元素を含有する金属からなることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記薄膜層の膜厚が，０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記薄膜層が，外部磁界によって変化する磁化方向を有することを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
外部磁界無印加時に，前記第１，第２の磁性層の磁化方向と，前記薄膜層の磁化方向とが，略直交することを特徴とする請求項５記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記第１，第２の磁性層の少なくとも一方が，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選択される少なくとも１つの元素を主成分として含有することを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記第１，第２の磁性層の少なくとも一方が，ｆｃｃ−ＣｏＦｅ合金，ｂｃｃ−ＦｅＣｏ，ｆｃｃ−ＮｉＦｅ，ｈｃｐ−Ｃｏから選択される少なくとも１つの合金を含有することを特徴とする請求項７記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記第１，第２の磁性層の少なくとも一方が，アモルファス合金材料からなることを特徴とする請求項７記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記アモルファス合金材料が，ＣｏＦｅＢ，ＣｏＺｒＮｂ，ＦｅＺｒＮ，ＦｅＡｌＳｉから選択される１つの合金を主成分として含むことを特徴とする請求項９記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記第１，第２の磁性層の少なくとも１方を磁化固着する反強磁性層または硬磁性層をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
前記反強磁性層が，Ｍｎ合金からなることを特徴とする請求項１１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
前記Ｍｎ合金が，ＩｒＭｎ，またはＰｔＭｎを主成分として含有することを特徴とする請求項１２記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
前記硬磁性層が，Ｃｏ，ＣｏＰｔ，ＣｏＣｒＰｔ，ＦｅＰｔから選択される少なくとも１つの金属を主成分として含有することを特徴とする請求項１１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１５】
前記第１，第２の磁性層の膜面垂直方向に電流を通電する手段をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１６】
前記電流を通電する手段が，１対の電極を有することを特徴とする請求項１５記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１７】
請求項１記載の磁気抵抗効果素子を具備する磁気ヘッド。
【請求項１８】
請求項１７記載の磁気ヘッドを具備する磁気記憶装置。
【請求項１９】
請求項１記載の磁気抵抗効果素子を具備する磁気メモリ。
【請求項２０】
第１の磁性層を形成するステップと，
前記第１の磁性層上に，金属層を形成するステップと，
前記金属層を酸化して薄膜層を形成するステップと，
前記薄膜層上に，第２の磁性層を形成するステップと，
前記第１，第２の磁性層の磁化方向を固着するステップと，
を具備することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項２１】
前記薄膜層を形成するステップが，酸素，窒素，または酸素窒素ガス雰囲気中で，前記金属層にイオンまたはプラズマを照射するステップを有することを特徴とする請求項２０記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，磁気抵抗効果膜にセンス電流を流して磁気を検知する磁気抵抗効果素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
巨大磁気抵抗効果（Giant Magneto-Resistive Effect：ＧＭＲ）を用いることで，磁気デバイス，特に磁気ヘッドの性能が飛躍的に向上している。特に，スピンバルブ膜（Spin-Valve：ＳＶ膜）の磁気ヘッドやＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）などへの適用は，磁気デバイス分野に大きな技術的進歩をもたらした。
【０００３】
「スピンバルブ膜」は，２つの強磁性層の間に非磁性のスペーサ層を挟んだ構造を有する積層膜であり，抵抗変化を生ずる積層膜構造部位はスピン依存散乱ユニットとも呼ばれる。この２つの強磁性層の１方（「ピン層」や「磁化固着層」などと称される）の磁化が反強磁性層などで固着され，他方（「フリー層」や「磁化自由層」などと称される）の磁化方向が外部磁界に応じて回転可能である。スピンバルブ膜では，ピン層とフリー層の磁化方向の相対角度が変化することで，巨大な磁気抵抗変化が得られる。ここで，スペーサ層は，ピン層とフリー層の間を磁気的に分断し，これらの磁化方向が独立に動くことを可能とする。
【０００４】
スピンバルブ膜を用いた磁気抵抗効果素子には，ＣＩＰ（Current In Plane）−ＧＭＲ素子，ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）−ＧＭＲ素子，およびＴＭＲ（Tunneling MagnetoResistance）素子がある。ＣＩＰ−ＧＭＲ素子ではスピンバルブ膜の面に平行にセンス電流を通電し，ＣＰＰ−ＧＭＲ，およびＴＭＲ素子ではスピンバルブ膜の面にほぼ垂直方向にセンス電流を通電する。
【０００５】
膜面垂直に通電する方式においては，ＴＭＲ素子ではスペーサ層として絶縁層を用い，通常のＣＰＰ−ＧＭＲではスペーサ層として金属層を用いる。また，ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の発展形として，スペーサ層として厚み方向に貫通したナノサイズの金属電流パスを含んだ酸化物層［ＮＯＬ（nano-oxide layer）］を用いたものも提案されている。このスペーサ層では，ＮＯＬの一部に金属伝導を生じさせるための狭窄された電流パス（ＣＣＰ：Current-confined-path）を有している（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２０８７４４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のいずれの場合でも従来の磁気抵抗効果素子では，ピン層，スペーサ層，フリー層を基本的な構成とし，ピン層，フリー層間での磁化方向の相対角度の変化によって，磁気を検知している。
本発明は，従来の磁気抵抗効果素子とは異なり，ピン層，スペーサ層，フリー層の積層構造を用いない磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は，磁化方向が実質的に固着された第１の磁性層と，前記第１の磁性層上に配置され，かつ酸化物，窒化物，酸窒化物，金属のいずれか１つからなる薄膜層と，前記薄膜層上に配置され，かつ磁化方向が実質的に固着された第２の磁性層と，を具備する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば，ピン層，スペーサ層，フリー層の積層構造を用いない磁気抵抗効果素子を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下，図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお，以下の実施の形態においては，合金の組成は原子％（atomic％）で表される。
図１は，本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を表す斜視図である。なお，図１および以降の図は全て模式図であり，図上での膜厚同士の比率と，実際の膜厚同士の比率は必ずしも一致しない。
図１に示すように本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子は，磁気抵抗効果膜１０，およびこれを上下から夾む下電極１１および上電極２０を有し，図示しない基板上に構成される。
【００１０】
磁気抵抗効果膜１０は，下地層１２，ピニング層１３，ピン層１４，外部磁界検知層１５，ピン層１６，ピニング層１７，キャップ層１８が順に積層されて構成される。この内，ピン層１４，外部磁界検知層１５，ピン層１６が，磁気抵抗効果を発現する基本膜構成，即ち，スピン依存散乱ユニットに相当する。
【００１１】
（磁気抵抗効果膜１０の基本構成）
図２，図３はそれぞれ，磁気抵抗効果膜１０および従来のスピンバルブ膜９０の基本構成を表す斜視図である。図２，図３からわかるように，磁気抵抗効果膜１０は，スピンバルブ膜９０と，構成が大きく異なる。
既述のように，磁気抵抗効果膜１０はピニング層１３，ピン層１４，外部磁界検知層１５，ピン層１６，ピニング層１７が積層される。一方，スピンバルブ膜９０では，ピニング層９３，ピン層９４，スペーサ層９５，フリー層９６が積層される。
【００１２】
スピンバルブ膜９０において，磁気抵抗効果を発現するスピン依存散乱ユニットは，ピン層９４，スペーサ層９５，フリー層９６の３層構成である。ピン層９４の磁化方向は固着され，フリー層９６の磁化方向は外部磁界によって変化する。スペーサ層９５によって，ピン層９４とフリー層９６間での磁気的な結合を分断し，これらの層間での磁化方向の独立性を確保している。外部磁界によって，ピン層９４とフリー層９６の磁化方向の相対的な角度が変化することで，磁気抵抗による磁気の検出が可能となる。
【００１３】
これに対して，磁気抵抗効果膜１０において，磁気抵抗効果を発現するスピン依存散乱ユニットは，ピン層１４，外部磁界検知層１５，ピン層１６の３層構成である。即ち，磁気抵抗効果膜１０は，スペーサ層９５のような磁気的な結合を積極的に分断する機構を有さず，ピン層１６と外部磁界検知層１５とが直接近接している。
【００１４】
従来のスピンバルブ膜９０において，スペーサー層９５は非磁性層である。しかしスペーサー層９５中を伝導する電子は，磁性層（ピン層９４，フリー層９６）から流れてくるため，スピン情報を有する。より大きな抵抗変化量を実現するためには，スペーサー層９５において，伝導電子のスピン情報が失われないようにすることが重要である。しかし，実際に作成したスペーサー層９５では完全理想状態は実現であり，結晶欠陥，不純物元素などの影響によってスピン反転現象が生じてしまう。これは抵抗変化量の低下の原因となる。
【００１５】
それに対し，スピンバルブ膜１０においてはスペーサー層を有しないため，このような伝導電子のスピン反転の影響を受けることがない。このため，より大きな抵抗変化量を実現できる。スピンバルブ膜１０は，スペーサー層を用いなくても，スピンバルブ膜として機能できる。なお，磁気抵抗効果膜１０の動作メカニズムは後述する。
【００１６】
磁気抵抗効果膜１０のスピン依存散乱ユニットの層数は，スピンバルブ膜９０と同じである。しかし，磁気抵抗効果膜１０は，スペーサ層（磁気的な結合を積極的に分断する機構）を有しないので，ピン層１４，１６により，実質上デュアルスピンバルブ膜として機能し得る。
通常のデュアルスピンバルブ膜は，ピン層/スペーサ層/フリー層/スペーサ層/ピン層の５層で構成される。磁気抵抗効果膜１０では，３層でデュアルスピンバルブ膜として機能し得ることから（膜厚が相対的に薄い），磁気抵抗変化率の上昇が容易である。
【００１７】
スペーサ層を有しない磁気抵抗効果膜１０が磁気抵抗効果を発現するためには，外部磁界検知層１５の材料選定が必要となる。外部磁界検知層１５には，極薄の酸化物層・窒化物層・酸窒化物層，または金属層を用いる。酸化物層・窒化物層・酸窒化物層には，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ｐｄ，Ｎｂ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔａなどを母材として用いる。金属層には，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎなどの元素を含有する金属材料を用いる。
【００１８】
このとき，酸化物・窒化物・酸窒化物層などでは，０．５〜３ｎｍ程度の極薄の層（薄膜層）を用いる。抵抗の上昇を招くことなく，大きな磁気抵抗変化率を実現できる。金属材料を用いた場合には，３ｎｍよりも厚い膜を用いても，抵抗を低い値に抑えられる。そのため，金属材料を用いる場合には，０．５〜３ｎｍの膜厚だけでなく，５ｎｍ程度の膜厚まで利用できる。
【００１９】
（磁気抵抗効果素子の詳細）
以下，本発明の磁気抵抗効果素子の詳細を説明する。
下電極１１は，スピンバルブ膜の膜面垂直方向に通電するための電極である。下電極１１と上電極２０との間に電圧が印加されることで，スピンバルブ膜内部をその膜垂直方向に沿って電流が流れる。この電流によって，磁気抵抗効果に起因する抵抗の変化を検出することで，磁気が検知される。下電極１１には，電流を磁気抵抗効果素子に通電するために，電気抵抗が比較的小さい金属層が用いられる。
【００２０】
下地層１２は，例えば，バッファ層１２ａ，シード層１２ｂに区分することができる。バッファ層１２ａは下電極１１表面の荒れを緩和したりするための層である。シード層１２ｂは，その上に成膜されるスピンバルブ膜の結晶配向および結晶粒径を制御するための層である。
【００２１】
バッファ層１２ａとしては，Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｃｒまたはこれらの合金を利用できる。バッファ層１２ａの膜厚は１〜１０ｎｍ程度が好ましく，２〜５ｎｍ程度がより好ましい。バッファ層１２ａの厚さが薄すぎるとバッファ効果が失われる。一方，バッファ層１２ａの厚さが厚すぎると磁気抵抗変化率に寄与しない直列抵抗を増大させることになる。なお，バッファ層１２ａ上に成膜されるシード層１２ｂがバッファ効果を有する場合には，バッファ層１２ａを必ずしも設ける必要はない。上記のなかの好ましい一例として，Ｔａ［３ｎｍ］をバッファ層１２ａとして利用できる。
【００２２】
シード層１２ｂは，その上に成膜される層の結晶配向を制御できる材料であればよい。シード層１２ｂとして，ｆｃｃ構造（face-centered cubic structure：面心立方格子構造）またはｈｃｐ構造（hexagonal close-packed structure：六方最密格子構造）やｂｃｃ構造（body-centered cubic structure：体心立方格子構造）を有する金属層などが好ましい。
例えば，シード層１２ｂとして，ｈｃｐ構造を有するＲｕや，ｆｃｃ構造を有するＮｉＦｅを用いることにより，その上のスピンバルブ膜の結晶配向をｆｃｃ（１１１）配向にすることができる。また，ピニング層１３（例えば，ＰｔＭｎ）の結晶配向を規則化したｆｃｔ構造（face-centered tetragonal structure：面心正方構造），あるいはｂｃｃ（body-centered cubic structure：体心立方構造）（１１０）配向とすることができる。
結晶配向を向上させるシード層１２ｂの機能を十分発揮するために，シード層１２ｂの膜厚は，１〜５ｎｍが好ましく，１．５〜３ｎｍがより好ましい。上記のなかの好ましい一例として，Ｒｕ［２ｎｍ］をシード層１２ｂとして利用できる。
【００２３】
スピンバルブ膜やピニング層１３の結晶配向性は，Ｘ線回折により測定できる。スピンバルブ膜のｆｃｃ（１１１）ピーク，ピニング層１３（ＰｔＭｎ）のｆｃｔ（１１１）ピークまたはｂｃｃ（１１０）ピークでのロッキングカーブの半値幅を３．５〜６度として，良好な配向性を得ることができる。なお，この配向の分散角は断面ＴＥＭを用いた回折スポットからも判別することができる。
【００２４】
シード層１２ｂとして，Ｒｕの代わりに，ＮｉＦｅベースの合金（例えば，ＮｉｘＦｅ１００−ｘ（ｘ＝９０〜５０％，好ましくは７５〜８５％）や，ＮｉＦｅに第３元素Ｘを添加して非磁性にした（ＮｉｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＸｙ（Ｘ＝Ｃｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｍｏ））を用いることもできる。ＮｉＦｅベースのシード層１２ｂでは，良好な結晶配向性を得るのが比較的容易であり，上記と同様に測定したロッキングカーブの半値幅を３〜５度とすることができる。
【００２５】
シード層１２ｂには，結晶配向を向上させる機能だけでなく，スピンバルブ膜の結晶粒径を制御する機能もある。具体的には，スピンバルブ膜の結晶粒径を５〜２０ｎｍに制御できる。この結果，磁気抵抗効果素子のサイズが小さい場合でも，特性のばらつきを防止できる。また，結晶粒を有するスピンバルブ膜だけでなく，アモルファス構造（結晶粒径が非常に小さい極限状態と考え得る）のスピンバルブ膜も利用可能である。
スピンバルブ膜の結晶粒径は，シード層１２ｂ上に形成されるピニング層１３や，ピン層１４での結晶粒の粒径によって判別できる。例えば，断面ＴＥＭなどによって粒径を測定できる。
【００２６】
高密度記録に対応した再生ヘッドでは，素子サイズが，例えば，５０ｎｍ以下である。素子サイズに対する結晶粒径の比が大きいことは，素子の特性がばらつく原因となる。素子面積あたりの結晶粒の数が少なくなると，結晶数が少ないことに起因した特性のばらつきの原因となりうるため，結晶粒径を大きくすることはあまり好ましくない。スピンバルブ膜の結晶粒径が２０ｎｍよりも大きいことは好ましくない。
一方，結晶粒径が小さくなりすぎても，良好な結晶配向を維持することが一般的には困難になる。
具体的には，３〜２０ｎｍの結晶粒径が好ましい範囲である。
【００２７】
上述した３〜２０ｎｍの結晶粒径を得るためには，シード層１２ｂとして，Ｒｕ２ｎｍや，（ＮｉｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＸｙ（Ｘ＝Ｃｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｍｏ））層の場合には，第３元素Ｘの組成ｙを０〜３０％程度とすることが好ましい（ｙが０％の場合も含む）。
【００２８】
前述したように，シード層１２ｂの膜厚は１ｎｍ〜５ｎｍ程度が好ましく，１．５〜３ｎｍがより好ましい。シード層１２ｂの厚さが薄すぎると結晶配向制御などの効果が失われる。一方，シード層１２ｂの厚さが厚すぎると，直列抵抗の増大を招き，さらにスピンバルブ膜界面の凹凸の原因となることがある。
【００２９】
ピニング層１３は，その上に成膜されるピン層１４となる強磁性層に一方向異方性（unidirectional anisotropy）を付与して磁化を固着する機能を有する。ピニング層１３の材料としては，ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ，ＰｄＰｔＭｎ，ＲｕＲｈＭｎなどの反強磁性材料を利用できる。この内，高記録密度対応のヘッドの材料として，ＩｒＭｎが有利である。ＩｒＭｎは，ＰｔＭｎよりも薄い膜厚で一方向異方性を印加することができ，高密度記録に必要な狭ギャップ化に適している。
【００３０】
十分な強さの一方向異方性を付与するために，ピニング層１３の膜厚を適切に設定する。ピニング層１３の材料がＰｔＭｎやＰｄＰｔＭｎの場合には，膜厚として，８〜２０ｎｍ程度が好ましく，１０〜１５ｎｍがより好ましい。ピニング層１３の材料がＩｒＭｎの場合には，ＰｔＭｎなどより薄い膜厚でも一方向異方性を付与可能であり，４〜１８ｎｍが好ましく，５〜１５ｎｍがより好ましい。上記のなかの好ましい一例として，ＩｒＭｎ［６ｎｍ］をピニング層１３として利用できる。
【００３１】
ピニング層１３として，反強磁性層の代わりに，ハード磁性（硬磁性）層を利用できる。ハード磁性層として，例えば，Ｃｏ，Ｃｏ合金，ＣｏＰｔ（Ｃｏ＝５０〜８５％），（ＣｏｘＰｔ１００−ｘ）１００−ｙＣｒｙ（ｘ＝５０〜８５％，ｙ＝０〜４０％），ＦｅＰｔ（Ｐｔ＝４０〜６０％）などを利用できる。ハード磁性層は反強磁性層に比べて比抵抗が比較的小さいため，直列抵抗および面積抵抗ＲＡの増大を抑制できるメリットがある。
【００３２】
ピン層１４は，ピン層１４１（例えば，Ｃｏ９０Ｆｅ１０２ｎｍ），磁気結合層１４２（例えば，Ｒｕ［０．９ｎｍ］），およびピン層１４３（例えば，Ｃｏ９０Ｆｅ１０［２ｎｍ］）からなるシンセティックピン層が好ましい一例である。ピニング層１３（例えば，ＩｒＭｎ）とその直上のピン層１４１は一方向異方性（unidirectional anisotropy）をもつように交換磁気結合している。磁気結合層１４２の上下のピン層１４１，１４３は，磁化の向きが互いに反平行になるように強く磁気結合している。
【００３３】
ピン層１４１の材料として，例えば，ＣｏｘＦｅ１００−ｘ合金（ｘ＝０〜１００％），ＮｉｘＦｅ１００−ｘ合金（ｘ＝０〜１００％），またはこれらに非磁性元素を添加したものを利用できる。また，ピン層１４１の材料として，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの単元素やこれらの合金を用いても良い。
【００３４】
ピン層１４１の磁気膜厚（飽和磁化Ｂｓ×膜厚ｔ（Ｂｓ・ｔ積））が，ピン層１４３の磁気膜厚とほぼ等しいことが好ましい。つまり，ピン層１４３の磁気膜厚とピン層１４１の磁気膜厚とが対応することが好ましい。例えば，ピン層１４１，１４３が同一材料の場合には，ピン層１４１，１４３がほぼ同じ膜厚であることが好ましい。また別の例として，ピン層１４３としてｂｃｃ構造を有するＦｅ５０Ｃｏ５０［２．５ｎｍ］を用いた場合には，薄膜でのＦｅＣｏの飽和磁化が約２．２Ｔであるため，磁気膜厚は２．２Ｔ×２．５ｎｍ＝５．５Ｔｎｍとなる。Ｃｏ９０Ｆｅ１０の飽和磁化が約１．８Ｔなので，上記と等しい磁気膜厚を与えるピン層１４１の膜厚ｔは５．５Ｔｎｍ／１．８Ｔ＝３．０ｎｍとなる。したがって，膜厚が約３．０ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０をピン層１４１として用いることが望ましい。
【００３５】
ピン層１４１に用いられる磁性層の膜厚は１．５〜５ｎｍ程度が好ましい。ピニング層１３（例えば，ＩｒＭｎ）による一方向異方性磁界強度および磁気結合層１４２（例えば，Ｒｕ）を介したピン層１４１とピン層１４３との反強磁性結合磁界強度の観点に基づく。
【００３６】
ピニング層１３としてハード磁性層を用いた場合には，ピン層１４１の機能も兼ねることも可能である。つまり，ピニング層１３とピン層１４１を合わせて，ＣｏＰｔなどのハード磁性層２〜５ｎｍ程度のものを用いることも可能である。
【００３７】
磁気結合層１４２（例えば，Ｒｕ）は，上下の磁性層（ピン層１４１，１４３）に反強磁性結合を生じさせてシンセティックピン構造を形成する機能を有する。磁気結合層１４２としてのＲｕ層の膜厚は０．８〜１ｎｍであることが好ましい。なお，上下の磁性層に十分な反強磁性結合を生じさせる材料であれば，Ｒｕ以外の材料を用いてもよい。ＲＫＫＹ（Ruderman-Kittel- Kasuya-Yosida）結合の２ｎｄピークに対応する膜厚０．８〜１ｎｍの換わりに，ＲＫＫＹ結合の１ｓｔピークに対応する膜厚０．３〜０．６ｎｍを用いることもできる。ここでは，高信頼性の結合を安定して得られる，０．９ｎｍのＲｕが磁気結合層１４２の一例として挙げられる。
【００３８】
ピン層１４３の一例として，膜厚２ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０のような磁性層を利用できる。ピン層１４３は，スピン依存散乱ユニットの一部をなす。ピン層１４３は，磁気抵抗効果に寄与する磁性層であり，大きな磁気抵抗変化率を得るために，この構成材料，膜厚の双方が重要である。特に，外部磁界検知層１５との界面に位置する磁性材料は，スピン依存界面散乱に寄与する点で特に重要である。
【００３９】
ピン層１４３としてここで用いたｆｃｃ構造をもつ従来のＣｏ９０Ｆｅ１０の換わりに，ｂｃｃ構造をもつＦｅＣｏを用いることも可能である。ｂｃｃ構造をもつＦｅＣｏ系合金として，ＦｅｘＣｏ１００−ｘ（ｘ＝３０〜１００％）や，ＦｅｘＣｏ１００−ｘに添加元素を加えたものが挙げられる。ｈｃｐ構造をもつコバルト合金も利用できる。また，ピン層１４３として，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉなどの単体金属，またはこれらのいずれか一つの元素を含む合金材料はすべて利用できる。
【００４０】
ピン層１４３の全膜厚が１．５ｎｍ以上であることが好ましい。ピン層１４３がｂｃｃ構造をもつ磁性層の場合には，スピンバルブ膜に用いられる金属材料は，ｆｃｃ構造またはｆｃｔ構造であることが多い。このため，ピン層１４３のみがｂｃｃ構造を有することがあり得る。この場合，ピン層１４３の膜厚が薄すぎると，ｂｃｃ構造を安定に保つことが困難になり，特性の不安定性を引き起こす原因となり得る。このため，１．５ｎｍ以上が好ましい膜厚である。
【００４１】
但し，ピン層１４３が，Ｃｏやｆｃｃ構造を有するＣｏＦｅ合金などの場合には，その膜厚を１ｎｍ程度まで薄くできる。この場合，スピンバルブ膜のトータル膜厚を薄くすることが可能となり，狭ギャップ化対応に有利となる。後述するように，磁気抵抗効果が生じる物理起源が従来のスピンバルブ膜で用いられたＧＭＲ効果（ＣＩＰ−ＧＭＲ，ＣＰＰ−ＧＭＲともに含む, CIP: Current-in-plane, CPP: Current-perpendicular-to-plane, GMR: Giant magneto-resistance）や，ＴＭＲ効果（TMR:tunneling magneto-resistance）とは異なる。このため，ピン層１４３の膜厚が１ｎｍと極薄でも使用可能な場合がある。
【００４２】
ピン層１４３の膜厚は５ｎｍ以下であることが好ましい。大きなピン固着磁界を得るためである。
ピン層１４３として，磁性層（ＦｅＣｏ層）と非磁性層（極薄Ｃｕ層）とを交互に積層したものも利用できる。
極薄Ｃｕ層の膜厚は，０．１〜０．６ｎｍが好ましく，０．２〜０．５ｎｍがより好ましい。Ｃｕ層の膜厚が厚すぎると，バルク散乱効果が減少することがあるうえに，非磁性のＣｕ層を介した上下磁性層の磁気結合が弱くなり，ピン層１４の特性が不十分となる。極薄Ｃｕ層の好ましい膜厚として，０．２５ｎｍを挙げることができる。
【００４３】
磁性層内の非磁性層の材料として，Ｃｕの換わりに，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｔｉなどを用いてもよい。一方，これら極薄の非磁性層を挿入した場合，ＦｅＣｏなど磁性層の１層あたりの膜厚は０．５〜２ｎｍが好ましく，１〜１．５ｎｍ程度がより好ましい。
【００４４】
ピン層１４３として，ＦｅＣｏ層とＣｕ層との交互積層構造に換えて，ＦｅＣｏとＣｕを合金化した層を用いてもよい。このようなＦｅＣｏＣｕ合金として，例えば，（ＦｅxＣｏ100-x）100-yＣｕy（ｘ＝３０〜１００％，ｙ＝３〜１５％程度）が挙げられるが，これ以外の組成範囲を用いてもよい。ここで，ＦｅＣｏに添加する元素として，Ｃｕの代わりに，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｔｉなど他の元素を用いてもよい。
【００４５】
ピン層１４として，結晶材料の換わりに，アモルファス金属層を用いても構わない。具体的には，ＣｏＦｅＢ，ＣｏＺｒＮｂ，ＦｅＺｒＮ，ＦｅＡｌＳｉなどを用いることができる。アモルファス合金層を用いるメリットとして，次の（１），（２）の理由から，素子ごとの特性ばらつきが生じ難いことを挙げることができる。
（１）結晶粒の凹凸に起因した凹凸が発生しない。
（２）素子サイズが小さい場合においても，一つの素子内での結晶粒の数のばらつきを考慮しなくて良い。
【００４６】
ピニング層１３としてハード磁性層を用いる場合，ハード磁性層がピニング層１３／ピン層１４１／磁気結合層１４２／ピン層１４３の４層のすべてを兼ねられる場合もある。この場合にはピニング層１３にＣｏＰｔなどのハード磁性層を用いた場合，これら４層を兼ねて２〜４ｎｍで形成することができるため，トータル膜厚を非常に薄くできる。
【００４７】
ピン層１４の上に，外部磁界検知層１５が配置される。外部磁界検知層１５がスピンバルブ膜９０のフリー層９６と対応する機能を有する。従来のスピンバルブ膜９０では，スペーサ層９５を介さずに，ピン層９４とフリー層９６が直接積層されることはあり得なかった。磁気抵抗効果膜１０では，スペーサ層９５を用いることなく磁気抵抗効果を発現することが可能となる。
【００４８】
スペーサー層を用いない構造のメリットとして，前述のようにスペーサー層での伝導電子のスピン反転の影響を受けなくなることが挙げられる。スピン反転現象を考慮しなくても良いため，抵抗変化量，ＭＲ変化率が大きな値が得られやすく，高密度化対応が容易となる。
また，スペーサ層９５が不必要となったことで，磁気抵抗効果膜１０のトータル膜厚を薄くすることが可能となる。狭ギャップ化対応の薄い膜厚で，磁気抵抗効果素子を形成できる。
【００４９】
外部磁界検知層１５には，極薄の酸化物層，窒化物層，酸窒化物層等からなる構成が挙げられる。酸化物，窒化物，酸窒化物等を形成する母材としては，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｗ，Ｔａなどが挙げられる。
【００５０】
スペーサ層を介さずに，ピン層１４上に外部磁界検知層１５が直接形成されていることが磁気抵抗効果膜１０の特徴である。後で詳細に述べるように，外部磁界を検知するため，外部磁界検知層１５が外部磁界と相互作用（interaction）する必要がある（例えば，外部磁界検知層１５が弱い磁性を有する）。そのため，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎのような３ｄ非磁性遷移金属元素やＰｄなどを主成分とする酸化物層，窒化物層，酸窒化物層が外部磁界検知層１５として好ましい例である。また，これらの酸化物層，窒化物層，酸窒化物層に単元素で磁性を発現することができるＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどの元素を含有するものも，外部磁界検知層１５として好ましい。さらには，極薄のＺｒ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｗ，Ｔａ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｎｂ，Ｐｄの極薄酸化物層や窒化物層，酸窒化物層やそれらにＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉを含有した材料を外部磁界検知層１５として利用可能である。
【００５１】
外部磁界検知層１５の厚さは，０．５〜３ｎｍが好ましく，１〜２．５ｎｍの範囲がより好ましい。外部磁界検知層１５の膜厚が薄すぎると，外部磁界検知機能の発揮が困難となる。また，外部磁界検知層１５の膜厚が厚すぎても，外部磁界検知機能が弱まることがあり，あまり好ましくない。
【００５２】
外部磁界検知層１５によって，数十〜百［Ｏｅ］程度の外部磁界を検知できる。即ち，外部磁界の向きによって，磁気抵抗効果膜１０が高抵抗状態および低抵抗状態に変化する。外部磁界検知層１５の望ましい実施例の一例として，ＴｉＯｘを基本材料とし，Ｆｅ，Ｃｏ元素を含有するＴｉＯｘ−Ｃｏ，Ｆｅ層を挙げることができる。後述のように，この構成の磁気抵抗効果膜１０は，正方向の磁界を印加したときに低抵抗状態となり，１００［Ｏｅ］程度の負方向の磁界を印加したときに高抵抗状態となる。
【００５３】
外部磁界検知層１５に添加元素として，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｍｇ，Ｚｒ，Ｖ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｗ，Ｂ，Ｃ，Ｖなどが含まれても構わない。これらの添加元素の添加量は０％〜５０％程度の範囲で適宜に変更できる。
【００５４】
上記のような酸化物，窒化物，酸窒化物からなる外部磁界検知層１５に加えて，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｐｄを主成分とする金属材料，またこれらの元素にＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどの元素を含有する材料を用いても構わない。これらの材料は弱い磁性が発現しやすい。特に，本実施形態のように，極薄膜厚の上下が強磁性材料で挟まれた構成では，磁性が発現しやすくなる。このような金属材料の場合には，酸化物，窒化物，酸窒化物でなく，金属材料そのままでも良い。
【００５５】
外部磁界検知層１５上に，ピン層１６が配置される。ピン層１６の磁化方向は，固定され，外部磁界によって実質上変化しない。磁化方向を固定するために，ピン層１４と同様，ピン層１６上にピニング層１７を配置することが好ましい。
【００５６】
但し，ピン層１６上にピニング層１７を形成しなくても，磁気抵抗効果が発現する場合もある。例えば，外部磁界検知層１５が１．５〜２ｎｍ程度以下と薄ければ，ピニング層１７が無くても，ピン層１６の磁化方向が固定される可能性がある。即ち，ピニング層１３によって磁化固着されているピン層１４が，外部磁界検知層１５を介して，ピン層１６と磁気結合して，ピン層１６の磁化方向を固定する場合がある。外部磁界検知層１５が外部磁界を検知するのに際し，その層を介してピン層１４，１６が強く磁気結合するメカニズムの詳細はまだ不明である。
【００５７】
ピン層１６には，ピン層１４と同様の材料，膜厚を利用できる。例えば，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ単元素や，ＣｏＦｅ合金，ＮｉＦｅ合金，ＮｉＣｏ合金や，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉを含む合金材料を利用できる。ｆｃｃ−ＣｏＦｅ合金や，ｂｃｃ−ＦｅＣｏ合金などもピン層１６として好ましい。ピン層１６として，２ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０層を利用できる。
【００５８】
また，ピン層１６もピン層１４と同様に，結晶材料の換わりに，アモルファス金属層を用いても構わない。具体的には，ＣｏＦｅＢ，ＣｏＺｒＮｂ，ＦｅＺｒＮ，ＦｅＡｌＳｉなどを用いることができる。アモルファス合金層を用いるメリットとして，次の（１），（２）の理由から，素子ごとの特性ばらつきが生じ難いことを挙げることができる。
（１）結晶粒の凹凸に起因した凹凸が発生しない。
（２）素子サイズが小さい場合においても，一つの素子内における結晶粒の数のばらつきの問題を考慮しなくても良い。
【００５９】
上述のように，ピン層１６上にピニング層１７を追加し，ピニング機能を十分にすることが好ましい。その場合，ピン層１６にピン層１４の場合と同様の構成を採用できる。例えば，Ｒｕなどを用いたシンセティックピン層構造のピン層１６とすることができる。また，ピン層１６のピニングにＩｒＭｎ，ＰｔＭｎなどの反強磁性層やＣｏＰｔ，ＣｏＰｔＣｒなどのハード層を利用可能である。具体的には，ピン層１６の構成を次の（１），（２）とすることが可能である。
（１）ＣｏＦｅ［２ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／ＣｏＦｅ［２ｎｍ］／ＩｒＭｎ［６ｎｍ］
（２）ｂｃｃ−ＦｅＣｏ［２．５ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／ＣｏＦｅ［３．０ｎｍ］／ＩｒＭｎ［６ｎｍ］。
【００６０】
ピン層１４と同様に，ピン層１６でも，ハード磁性層をピニング層１７として利用可能である。この場合，ピン層１６１／磁気結合層１６２／ピン層１６３として，ＣｏＦｅ［２ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／ＣｏＰｔ［３．２ｎｍ］などの構成を採用できる。このとき，反強磁性層（ピニング層１７）とこれに接する磁性層（ピン層１６３）に替えて，ＣｏＰｔのハード磁性層を利用できる。さらには磁気結合層１６２（Ｒｕ［０．９ｎｍ］）も省略して，ＣｏＦｅ［２ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／ＣｏＰｔ［３．２ｎｍ］の換わりに，ＣｏＰｔ［３ｎｍ］をピン層１６として利用可能である。
【００６１】
ピニング層１７上もしくはピン層１６上に，キャップ層１８を配置する。キャップ層１８として，Ｃｕ／Ｔａ層，Ｒｕ／Ｔａ層，Ｔａ層，などを利用できる。ピニング層１７を設けず，ピン層１６上に直接キャップ層１８を設ける場合には，磁性層（ピン層１６）上にＣｕ層やＲｕ層を設けることが好ましい。このときのＣｕやＲｕの膜厚としては，０〜２ｎｍ程度が好ましい。キャップ層１８として，Ｔａ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｗ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｈｆやそれらの元素を含む合金材料，もしくはこれらの元素を含む導電性酸化物や窒化物層を利用できる。これらの膜厚は，１〜５ｎｍ程度が好ましい。
【００６２】
Ａ．磁気抵抗効果の発生メカニズム（１）
磁気抵抗効果膜１０で磁気抵抗効果が発現する物理メカニズムについて説明する。但し，現時点では，磁気抵抗効果が発現する物理メカニズムは完全に把握しきれていない部分もある。
【００６３】
Ｒ−Ｈ（抵抗−磁界）ループや，Ｍ−Ｈ（磁化−磁界）ループの測定によると，磁気抵抗効果が生じるとき，ピニング層１７を有しない場合でも，ピン層１６の磁化方向が実質上固着されている。つまり，ピニング層１３，ピン層１４，外部磁界検知層１５を介して，上部磁性層（ピン層１６）の磁化方向は固着される。
【００６４】
外部磁界検知層１５は，例えば，ＴｉＯｘのような一般的に非磁性とされる材料を用いている。しかしながら，次の理由１）〜３）により外部磁界検知層１５に弱い磁性が発現される可能性がある。
１）外部磁界検知層１５の膜厚は１．２ｎｍと非常に薄く，かつ上下のピン層１４，１６が磁性層である。このため，交換相互作用長（exchange length）の関係で，ピン層１４，１６の影響を受け，外部磁界検知層１５に磁性が発現する可能性がある。
２）外部磁界検知層１５が含有するＴｉ等の３ｄ遷移金属元素により，外部磁界検知層１５に磁性が発現する可能性がある。
３）ピン層１４，１６からの多少のＣｏ，Ｆｅなどの磁性元素の拡散により，外部磁界検知層１５に磁性元素が含まれる可能性がある。
【００６５】
外部磁界検知層１５に磁化が発現している場合には，外部磁界に対して磁化方向が変化するフリー層として，外部磁界検知層１５が機能する。この上下のピン層１４，１６と，外部磁界検知層１５の磁化方向が平行のときには低抵抗，反平行のときには高抵抗になっていると考えられる。例えば，磁界の無印加時に外部磁界検知層１５の磁化方向がピン層１４，１６の磁化方向と略直交する。  
【００６６】
ただし，現在のＶＳＭ（vibrating sample magnetometer）測定による磁化測定精度では，ＴｉＯｘ層の磁化は観測されていない。この可能性があるとしても，ＴｉＯｘ層の磁化は非常に小さいと考えられる。
【００６７】
上記のような酸化物，窒化物，酸窒化物層だけではなく，弱い磁性が発現しやすい，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｐｄを主成分とする金属材料を用いても構わない。これらの元素を主成分とする金属材料であれば，他の元素を添加しても構わない。ここで主成分とは，５０atomic％以上含む場合を主成分と呼ぶことにする。この定義は他の記述でも同様である。これらの元素を用いた場合でも，膜厚が１〜３ｎｍ程度と薄ければ，上下強磁性材料（ピン層１４，１６）からの影響によって，弱い磁性，即ち，磁化が生じうる。
【００６８】
Ｂ.  磁気抵抗効果の発生メカニズム（２）
磁気抵抗効果の発現メカニズム（２）として，外部磁界検知層１５が磁化を全くもたず（従い，外部磁界に対する磁化の変化も存在しない），かつ外部磁界を検知することが考えられる。この場合の物理メカニズムについて説明する。
【００６９】
ＴｉＯｘ等を主成分とする，外部磁界検知層１５が外部への磁化の発生をもたらすネットモーメント自体を有せず，外部磁界を検知することがあり得る。ピン層１４，１６間を伝導電子が流入，流出する。伝導電子が外部磁界検知層１５を通過するときに，外部磁界によって伝導電子のスピンの反転が生じる場合，生じない場合が存在する。このときのスピンの向きによって，伝導電子の流入側のピン層１４，１６と外部磁界検知層１５との界面において抵抗が変化する。
【００７０】
図４Ａ，図４Ｂは，第２の磁気抵抗効果の発現メカニズムを表す模式図である。
ピン層１６からピン層１４に向かって伝導電子が流れている。図４Ａではピン層１４，１６の磁化方向と平行の正方向の外部磁界Ｈ＋が印加され，伝導電子のスピンが反転していない。この状態では磁気抵抗効果膜の抵抗は低抵抗状態となる。一方，図４Ｂではピン層１４，１６の磁化方向と反平行の負方向の外部磁界Ｈ−が印加され，外部磁界検知層１５で伝導電子のスピンが反転する。この状態では磁気抵抗効果膜の抵抗は高抵抗状態となる。
【００７１】
ここでは，ピン層１４，１６の磁化方向と平行方向の磁界Ｈ＋を印加したときに低抵抗となり，反平行方向の磁界Ｈ−を印加したときが高抵抗となっている。しかし，外部磁界検知層１５，およびピン層の１４，１６の材料の選択によっては，この関係が逆になる可能性がある。すなわち，ピン層１４，１６の磁化方向と平行の磁界Ｈ＋を印加したときに高抵抗となり，反平行の磁界Ｈ−を印加したときが低抵抗となる場合がある。
【００７２】
通常，外部磁界によって伝導電子のスピンが直接反転することはない。外部磁界検知層１５内では，外部磁界によって伝導電子のスピンが直接反転しやすい状態になっていると考える。このミクロなメカニズムの詳細は明らかではないが，外部磁界検知層１５がネットモーメントを有するか，有しないかのぎりぎりの状態が好ましいと考えられる。その観点からすると，外部磁界検知層１５として，磁性を発現しやすい，３ｄ遷移金属の酸化物，窒化物，酸窒化物層を用いることが好ましい。
また，外部磁界検知層１５として，磁性が発現しやすい，単体金属であるＴｉ，Ｃｒ，Ｖ，Ｍｎ，Ｐｄを主成分として含有する金属材料を利用できる。
【００７３】
Ｃ.  磁気抵抗効果の発生メカニズム（３）
外部磁界検知層１５自体が磁化を有しなかったとしても，外部磁界検知層１５を介して上下磁性層（ピン層１４，１６）が磁気的に強く結合していることが考えられる（セルフカップリング）。局在した磁気結合に寄与する外部磁界検知層１５内の電子と，外部磁界によってスピン反転を生じさせる伝導電子が別であることから，このような現象が生じる可能性がある。
【００７４】
この場合，ピン層１４，１６の一方にのみピニング層１３，１７が配置されれば良く，他方のピニング層１３，１７の省略が可能である。ピン層１４，１６の他方は，外部磁界検知層１５を介した磁気結合によって，ピン層１４，１６の一方とセルフカップリングされる。
ピニング層１３，１７の一方が省略できることから，磁気抵抗効果膜１０のトータル膜厚が薄くてすむ。
また，セルフカップリング効果に起因して，ピニング層１３，１７の一方のみで複数の外部磁界検知層１５を利用可能になる利点がある。つまり，複数の外部磁界検知層１５を介して，複数の磁性層が磁気結合し，これらの磁性層の全体をピン層として利用できる。複数層の外部磁界検知層１５を利用できることは，スピン依存散乱ユニットが複数になることを意味し，磁気抵抗変化率の上昇が期待できる。
【００７５】
（磁気抵抗効果素子の製造方法）
磁気抵抗効果素子の製造方法を説明する。
図５は，磁気抵抗効果素子の製造手順の一例を表すフロー図である。基板上に下地層１２〜キャップ層１８が順に積層される。積層後にピン層１４，１６の磁化方向が固着される。この固着は，例えば，熱処理時の磁界印加によって実行可能である。後述するように，ピニング層１３，１７としてハード磁性層を用いるときは，１０〜１５ｋＯｅ程度の磁界を数十秒〜数分印加することで，ピン層１４，１６の磁化固着が可能である。
外部磁界検知層１５の形成には，次の２種類の方法を適用可能である。
（１）酸化，窒化，酸窒化前の母材となる金属材料の成膜後に，この金属材料を表面酸化する。金属材料の成膜には，スパッタ，蒸着，ＭＢＥ，イオンビームスパッタ，ＣＶＤなどを利用できる。
（２）酸化物層・窒化物層・酸窒化物層を直接形成する。この形成には，スパッタ，蒸着，ＭＢＥ，イオンビームスパッタ，ＣＶＤなどを利用できる。
【００７６】
ここで，（１）の表面酸化には，自然酸化，エネルギーアシスト酸化を利用できる。
１）自然酸化では，母材金属の形成後に酸素または窒素を含むガスで膜表面を暴露する。酸素を含むガスには，酸素ガス，窒素ガス，酸素と窒素の混合ガス，酸素と希ガスの混合ガス，窒素と希ガスの混合ガス，酸素と窒素と希ガスの混合ガスなどが挙げられる。
【００７７】
２）エネルギーアシスト酸化では，イオンビームやプラズマなどを膜表面に照射しながら，酸素または窒素を含むガスで金属材料を酸化，窒化，または酸窒化する。また，基板の加熱による熱エネルギーを用いた加熱酸化方法もエネルギーアシスト酸化に含められる。また，イオンビームやプラズマと，熱の両者を組み合わせて，利用しても構わない。
【００７８】
図６は，磁気抵抗効果素子の製造に用いられる成膜装置の概略を示す模式図である。
図６に示すように，搬送チャンバー（ＴＣ）５０を中心として，ロードロックチャンバー５１，プレクリーニングチャンバー５２，第１の金属成膜チャンバー（ＭＣ１）５３，第２の金属成膜チャンバー（ＭＣ２）５４，酸化物層・窒化物層形成チャンバー（ＯＣ）６０がそれぞれゲートバルブを介して配置される。この成膜装置では，ゲートバルブを介して接続された各チャンバーの間で，真空中において基板を搬送することができるので，基板の表面は清浄に保たれる。各チャンバーの到達真空度は１０−８Ｔｏｒｒ台〜１０−１０Ｔｏｒｒ台であることが望ましい。典型的な真空度としては，１０−９Ｔｏｒｒ台が実用的にも好ましい。
【００７９】
金属成膜チャンバー５３，５４は多元（５〜１０元）のターゲットを有する。成膜方式は，ＤＣマグネトロンスパッタ，ＲＦマグネトロンスパッタ等のスパッタ法，イオンビームスパッタリング法，蒸着法，ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法，およびＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などが挙げられる。
【００８０】
外部磁界検知層１５は，酸化物層，窒化物層，酸窒化物層のいずれかで形成されるため，酸化物層・窒化物層形成チャンバー６０において形成する。前述のように，表面酸化法で形成しても良いし，酸化物・窒化物層・酸窒化物層を直接形成しても構わない。
【００８１】
（実施例）
以下，本発明の実施例につき説明する。以下に，本発明の実施例に係る磁気抵抗効果膜１０の構成を表す。
・下電極１１
・下地層１２（バッファ層１２ａ／シード層１２ｂ）：  Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
・ピニング層１３：  ＰｔＭｎ［１５ｎｍ］
・ピン層１４（ピン層１４１／磁気結合層１４２／ピン層１４３）：  ＣｏＦｅ［３ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／ＣｏＦｅ［３ｎｍ］
・外部磁界検知層１５：  ＴｉＯｘ［２ｎｍ］
・ピン層１６（ピン層１６１／磁気結合層１６２／ピン層１６３）：  ＣｏＦｅ［３ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／ＣｏＦｅ［３ｎｍ］
・ピニング層１７：  ＰｔＭｎ［１５ｎｍ］
・キャップ層１８：  Ｔａ［５ｎｍ］
【００８２】
スピンバルブ膜の成膜後，１０ｋＯｅの磁場中において２９０度４時間の熱処理を行い，結晶性の向上，およびＰｔＭｎの規則化を行った。その後リソグラフィープロセスによってスピンバルブ膜の素子サイズを規定し，上電極２０を作成した。
【００８３】
ＴｉＯｘ（外部磁界検知層１５）に接している上下ＣｏＦｅ層（ピン層１４３，ピン層１６１）の磁化方向は同一方向に固着されている。また，これらＣｏＦｅ層（ピン層１４３，ピン層１６１）は，Ｒｕ（磁気結合層１４２，１６２）を介して，これらの上下外側のＣｏＦｅ層（ピン層１４１，ピン層１６３）と反強磁性的（反平行）に強く磁気結合している。
【００８４】
これらＣｏＦｅ層（ピン層１４１，ピン層１６３）はその外側に配置されたＰｔＭｎ層（ピニング層１３，１７）にピニングされる。このピニング方向は前述の磁場中熱処理時の印加磁場の値によって規定される。
ここでは，ピニング層１３として反強磁性層を用いている。これに替えて，ピニング層１３としてハード磁性層を利用できる。この場合，熱処理時の磁界印加ではなく，常温での１０〜１５［ｋＯｅ］程度の強磁場印加によって，ピニング層１３の着磁を行える。ハード磁性層によってピニングを行う場合においても，結晶性を向上させるためにスピンバルブ膜成膜後の熱処理を行うことが好ましい。
【００８５】
後述のように，反強磁性層とハード磁性層を２つ用いて，上下のピン層１４，１６を別々にピニングすることも可能である。この場合，反強磁性層とハード磁性層を別個に着磁できる。反強磁性層によるピニングでは，磁場中熱処理時の印加磁場の方向で磁化方向を規定する。一方，ハード磁性層によるピニングでは，磁場中熱処理後の１０〜１５ｋＯｅの着磁処理によって，反強磁性層による磁化固着方向とは全く無関係の方向にピン層を着磁できる。一例として，反強磁性層による磁化固着方向と反平行の方向にハード磁性層の磁化固着を行うことが可能である。
【００８６】
本実施例の磁気抵抗効果膜１０は，正方向の磁界（ピン層１６１，１４３の磁化方向と平行の磁化方向）を印加したときに低抵抗状態となり，１００［Ｏｅ］程度の負方向の磁界（ピン層１６１，１４３の磁化方向と反平行の磁化方向）を印加したときに高抵抗状態となった。本実施例の磁気抵抗効果膜１０では，面積抵抗ＲＡが４０００［ｍΩμｍ２］，磁気抵抗変化率ＭＲが１６％であった。この面積抵抗ＲＡは大きめの値であるが，材料，プロセスの最適化によって，低減可能である。
【００８７】
図７は本実施例に係る磁気抵抗効果膜１０の断面ＴＥＭ写真である。本図に示すように，ＣｏＦｅ層（ピン層１４３）の結晶粒にそってＴｉＯｘ層（外部磁界検知層１５）が形成される。このＴｉＯｘ層は，連続的であり，ピンホールがない。このように外部磁界検知層１５が連続的なので，素子サイズが５０ｎｍ以下と微細になっても，素子ごとのばらつきが低減される。
【００８８】
作成条件による磁気抵抗効果膜１０の特性の相違を説明する。
図８は，磁気抵抗効果膜１０でのＴｉＯｘ層（外部磁界検知層１５）形成時の酸素フロー量と磁気抵抗変化率ＭＲとの関係を表すグラフである。このときの膜構成は，既述の実施例と同様である。
本図からわかるように，酸素の供給量が小さいとき（酸化が不十分），磁気抵抗変化率ＭＲは全く上昇しない。酸素の供給量がある値に達すると，磁気抵抗変化率が急激に上昇する。さらに酸素の供給量が大きくなりすぎると，磁気抵抗変化率ＭＲが急減に低下する。即ち，磁気抵抗効果膜１０の特性を良好にするためには，外部磁界検知層１５を形成するときの酸化条件を適切に選択する必要がある。
【００８９】
（磁気抵抗効果膜の積層構造）
以下では，磁気抵抗効果膜の積層構造について説明する。既述のように，磁気抵抗効果膜１０の基本的な構成は，ピン層１４/外部磁界検知層１５/ピン層１６の３層であるが，その積層構造にバリエーションがある。
【００９０】
積層膜構成Ａ    上下のピン層１４，１６がシンセティックピン構造の場合
図９〜図１４は，上下のピン層１４，１６がともにシンセティックピン構造の磁気抵抗効果膜１０ＡＡ〜１０ＡＥの構成例を示す斜視図である。この構成は図２の構成と同様である。ピニング層１３，１７に反磁性層１３１，１７１，ハード磁性層１３２，１７２の何れを用いるかによって，構成の組み合わせが生じる。
【００９１】
磁気抵抗効果膜１０ＡＡでは，上下のピニング層１３，１７に反強磁性層１３１，１７１を用いている。このため，上下の反強磁性層（ピン層１４，１６）のピニングは磁場中アニールでの磁界印加方向で決定される。このため，ピン層１４１，１６３は同一の磁化方向を有する。外部磁界検知層１５と接しているピン層１４３，１６１は，ピン層１４１，１６３と反平行で，互いにほぼ同一の磁化方向を有する。反強磁性層１３１，１７１として，ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ，ＰｄＰｔＭｎ，ＮｉＭｎ，ＲｕＭｎ，ＲｈＭｎ，ＲｕＲｈＭｎなどの金属反強磁性層などを利用できる。
【００９２】
磁気抵抗効果膜１０ＡＢでは，上下のピン層１４，１６のピニングがともにハード磁性層１３２，１７２で行われる。ハード磁性層１３２，１７２としては，ｈｃｐ−Ｃｏを主成分とするＣｏ，もしくはＣｏ合金，ＣｏＰｔ，ＣｏＰｒＣｒ合金，ＦｅＰｔなどやそれらに添加元素を加えた材料などを利用できる。
【００９３】
磁気抵抗効果膜１０ＡＣは，ピニング層１３が反強磁性層１３１で，ピニング層１７がハード磁性層１７２を用いた場合を示す。反強磁性層１３１，ハード磁性層１７２はそれぞれ前述のような材料を利用可能である。ここで，外部磁界検知層１５に接したピン層１４３，１６１の磁化方向は磁気抵抗効果膜１０ＡＢと同様である。このような磁化配列状態になるように，ハード磁性層１７２が磁化固着される。ここで，ハード磁性層１７２とピン層１６３は別々の磁性層でも良いし，両者の機能を兼用して１層の材料で構成しても構わない。２層に分けると，磁気的にハードな特性をもつ磁性層（ハード磁性層１７２）と，磁気抵抗変化率を向上させるために有利な磁性層（ピン層１６３）それぞれを独立に設計できる。
【００９４】
磁気抵抗効果膜１０ＡＤは，磁気抵抗効果膜１０ＡＣとほぼ同様な膜構成であるが，ハード磁性層１７２の磁化固着方向の向きが磁気抵抗効果膜１０ＡＣと逆向きになっている。つまり，外部磁界検知層１５に接するピン層１４３，１６１の磁化方向が互いに反平行の向きになるように磁化固着されている。磁気抵抗効果膜１０ＡＡのように，ピニング層１３，１７双方を反強磁性層１３１，１７１とすると，ピン層１４３，１６１の磁化方向は同じになる。これに対して，ハード磁性層１７２では磁場中熱処理後に大きな磁界を印加することで任意の方向に磁化固着可能である。このため，磁気抵抗効果膜１０ＡＣ，１０ＡＤのような構成のバリエーションを実現できる。
【００９５】
磁気抵抗効果膜１０ＡＥ，１０ＡＦの構成はそれぞれ，磁気抵抗効果膜１０ＡＣ，１０ＡＤの構成を上下逆転させたものであり，ハード磁性層１３２が外部磁界検知層１５よりも下層側に配置されている。磁気抵抗効果膜１０ＡＣ，１０ＡＤと同様に，磁気抵抗効果膜１０ＡＥ，１０ＡＦでは，ハード磁性層１３２の磁化固着の方向が互いに逆向きとなっている。
【００９６】
磁気抵抗効果膜１０ＡＥ，１０ＡＦの構造と磁気抵抗効果膜１０ＡＣ，１０ＡＤの構造は次の点で相違する。即ち，磁気抵抗効果膜１０ＡＥ，１０ＡＦの構造においては，ハード磁性層１３２が下地層側に配置されている。このため，ハード磁性層１３２下の下地層１２に，ハード磁性を強くするような下地材料を選択可能となる。例えば，下地層１２として，ハード磁性層の磁化方向を面内にするために，ｂｃｃ構造を有するＣｒ，Ｗ，Ｖなどを含有する金属層を選択できる。また，下地層１２として，ハード磁性層１３２の磁化方向を膜面垂直に磁化した垂直磁化膜にするために適した材料などを利用可能である。垂直磁化膜としては，Ｃｏを含む合金，具体的にはＣｏＣｒやＣｏＣｒＰｔやそれらに添加元素を加えたものや，ＦｅＰｔなどが挙げられる。
【００９７】
積層膜構成Ｂ    上下のピン層１４，１６が単層ピン構造の場合
図１５〜図２０は，上下のピン層１４，１６がともに単層ピン構造の磁気抵抗効果膜１０ＢＡ〜１０ＢＦの構成例を示す斜視図である。他の点は磁気抵抗効果膜１０ＡＡ〜１０ＡＦと同様である。
シンセティックピン構造の換わりに単層ピン構造を用いることで，スピンバルブ膜のトータル膜厚を薄くできる。但し，シンセティック構造を用いないことで，ピン固着磁界の大きさがシンセティックピン構造よりも弱くなる可能性がある。必要なスペックに応じて，磁気抵抗効果膜１０ＡＡ〜１０ＡＦの構成，磁気抵抗効果膜１０ＢＡ〜１０ＢＦの構成を選択できる。
【００９８】
磁気抵抗効果膜１０ＢＡは上下のピニング層１３，１７がともに反強磁性層１３１，１７１を用いた場合である。上下の反強磁性層１３１，１７１のピニングは磁場中アニールでの磁界印加方向で決定される。このため，ピン層１４，１６は同一の方向を向いている。ここで反強磁性層１３１，１７１としては，ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ，ＰｄＰｔＭｎ，ＮｉＭｎ，ＲｕＭｎ，ＲｈＭｎ，ＲｕＲｈＭｎなどの金属反強磁性層などを利用できる。
【００９９】
磁気抵抗効果膜１０ＢＢは上下のピン層１４，１６のピニングがともにハード磁性層１３２，１７２で行われた場合を示す。このとき，ハード磁性層１３２，１７２はピン層としても機能しうる。ハード磁性層１３２，１７２としては，ｈｃｐ−Ｃｏを主成分とするＣｏ，もしくはＣｏ合金，ＣｏＰｔ，ＣｏＰｒＣｒ合金，ＦｅＰｔなどやそれらに添加元素を加えた材料などを利用できる。
【０１００】
磁気抵抗効果膜１０ＢＣは，ピニング層１３が反強磁性層１３１で，ピニング層１７がハード磁性層１７２を用いた場合を示す。反強磁性層１３１，ハード磁性層１７２はそれぞれ前述の材料を利用可能である。ここで，外部磁界検知層１５に接したピン層１４３，１６１の磁化方向は磁気抵抗効果膜１０ＢＢの場合と同様である。このような磁化配列状態になるように，ハード磁性層１７２が磁化固着される。ここで，ハード磁性層１７２とピン層１６１は別々の磁性層でも良いし，両者の機能を兼用して１層の材料で構成しても構わない。２層に分けると，磁気的にハードな特性をもつ磁性層（ハード磁性層１７２）と，磁気抵抗変化率を向上させるために有利な磁性層（ピン層１６３）それぞれを独立に設計できる。
【０１０１】
磁気抵抗効果膜１０ＢＤは，磁気抵抗効果膜１０ＢＣとほぼ同様の膜構成であるが，ハード磁性層１７２の磁化固着方向の向きが磁気抵抗効果膜１０ＢＣと逆向きになっている。つまり，外部磁界検知層１５に接するピン層１４３，１６１の磁化方向が互いに反平行の向きになるように磁化固着されている。磁気抵抗効果膜１０ＢＡのようにピニング層１３，１７の双方を反強磁性層１３１，１７１によるシンセティックピン構造とすると，ピン層１４３，１６１の磁化方向は同じになる。これに対して，ハード磁性層１７２では磁場中熱処理後に大きな磁界を印加することで任意の方向に磁化固着可能である。このため，磁気抵抗効果膜１０ＢＣや磁気抵抗効果膜１０ＢＤのような構成のバリエーションを実現できる。
【０１０２】
磁気抵抗効果膜１０ＢＥ，１０ＢＦの構成はそれぞれ，磁気抵抗効果膜１０ＢＣ，１０ＢＤの構成を上下逆転させたものであり，ハード磁性層１３２が外部磁界検知層１５よりも下層側に配置されている。磁気抵抗効果膜１０ＢＣ，１０ＢＤと同様に，磁気抵抗効果膜１０ＢＥ，１０ＢＦでは，ハード磁性層１３２の磁化固着の方向が互いに逆向きとなっている。
【０１０３】
磁気抵抗効果膜１０ＢＥ，１０ＢＦと磁気抵抗効果膜１０ＢＣ，１０ＢＤは次の点で相違する。即ち，磁気抵抗効果膜１０ＢＥ，１０ＢＦにおいては，ハード磁性層１３２が下地層１２側に配置されている。このため，ハード磁性層１３２下の下地層１２に，ハード磁性を強くするような下地材料を選択可能となる。例えば，下地層１２として，ハード磁性層１３２の磁化方向を面内にするために，ｂｃｃ構造を有するＣｒ，Ｗ，Ｖなどを含有する金属層を選択できる。また，下地層１２として，ハード磁性層１３２の磁化方向を膜面垂直に磁化した垂直磁化膜にするために適した材料などを利用可能である。前述の場合と同様に，垂直磁化膜としては，Ｃｏを含む合金，具体的にはＣｏＣｒやＣｏＣｒＰｔやそれらに添加元素を加えたものや，ＦｅＰｔなどが挙げられる。
【０１０４】
積層膜構成Ｃ  ピン層１４がシンセティックピン構造で，ピン層１６が単層ピン層構造の場合
図２１〜図２５は，ピン層１４がシンセティックピン構造で，ピン層１６が単層ピン層構造の磁気抵抗効果膜１０ＣＡ〜１０ＣＥの構成例を示す斜視図である。
【０１０５】
磁気抵抗効果膜１０ＣＡでは上下のピニング層１３，１７に反強磁性層１３１，１７１を用いている。上下の反強磁性層１３１，１７１によるピニング方向は磁場中アニールでの磁界印加方向で決定される。このため，ピン層１４１，１６１は同一の磁化方向を有する。
しかし磁気抵抗効果膜１０ＡＡ〜１０ＡＦの場合とは異なり，ピン層１６にシンセティックピン構造を用いていない。このため，反強磁性層１３１，１７１による磁化固着方向が同一であったとしても，外部磁界検知層１５と接しているピン層１４３，１６１の磁化方向は，互いに反平行である。反強磁性層１３１，１７１として，ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ，ＰｄＰｔＭｎ，ＮｉＭｎ，ＲｕＭｎ，ＲｈＭｎ，ＲｕＲｈＭｎなどの金属反強磁性層などを利用できる。
【０１０６】
磁気抵抗効果膜１０ＣＢでは，ピニング層１３に反強磁性層１３１を用い，ピニング層１７にハード磁性層１７２を用いている。ハード磁性層１７２として，ｈｃｐ−Ｃｏを主成分とするＣｏ，もしくはＣｏ合金，ＣｏＰｔ，ＣｏＰｒＣｒ合金，ＦｅＰｔなどやそれらに添加元素を加えた材料などを利用できる。
【０１０７】
磁気抵抗効果膜１０ＣＣは，磁気抵抗効果膜１０ＣＢと同様に，ピニング層１３が反強磁性層１３１で，ピニング層１７がハード磁性層１７２を用いた場合を示す。反強磁性層１３１，ハード磁性層１７２はそれぞれ前述の材料を利用可能である。ここで，外部磁界検知層１５に接したピン層１４３，１６１はともに磁気抵抗効果膜１０ＣＢの場合と同様の磁化配列状態になるように，ハード磁性層１７２により磁化固着される。ここで，ハード磁性層１７２とピン層１６１は別々の磁性層でも良いし，両者の機能を兼用して１層の材料で構成しても構わない。２層に分けると，磁気的にハードな特性をもつ磁性層（ハード磁性層１７２）と，磁気抵抗変化率を向上させるために有利な磁性層（ピン層１６１）それぞれを独立に設計できる。
【０１０８】
磁気抵抗効果膜１０ＣＤは，磁気抵抗効果膜１０ＣＢの構成を上下逆転させた構造となっている。すなわち，ピニング層１３としてハード磁性層１３２を用い，ピニング層１７として反強磁性層１７１を用いている。ハード磁性層１３２が下地層１２側に配置されているため，ハード磁性層１３２下の下地層１２にハード磁性を強くするような下地材料を選択可能となる。ハード磁性層１３２の磁化方向を面内にするために，下地層１２として，例えば，ｂｃｃ構造を有するＣｒ，Ｗ，Ｖなどを含有する金属層を利用可能である。また，ハード磁性層１３２の磁化方向を垂直磁化方向にするために適した材料を下地層１２として利用可能である。
【０１０９】
磁気抵抗効果膜１０ＣＥは，磁気抵抗効果膜１０ＣＤに対し，ハード磁性層１３２による磁化固着の向きを逆向きにしたものである。磁気抵抗効果膜１０ＣＥは，外部磁界検知層１５上下のピン層１４３，１６１の磁化固着方向が磁気抵抗効果膜１０ＣＤと異なる。
【０１１０】
積層膜構成Ｄ  ピン層１４が単層ピン構造で，ピン層１６がシンセティックピン層構造の場合
図２６〜図３０は，磁気抵抗効果膜１０ＣＡ〜１０ＣＥの膜構成の換わりに，ピン層１４に単層ピン構造を用い，ピン層１６にシンセティックピン構造を用いた実施例を示す。それ以外は，磁気抵抗効果膜１０ＣＡ〜１０ＣＥと全く同様の説明が可能である。
【０１１１】
積層膜構成Ｅ  ピニング層が１層の場合
図３１〜図３４は，メカニズム（３）で磁気抵抗効果が発生している場合の磁気抵抗効果膜１０ＥＡ〜１０ＥＤの例を示す図である。磁気抵抗効果膜１０ＥＡ〜１０ＥＤにおいては，外部磁界検知層１５の上下の磁性層（ピン層１４３，１６１）が，外部磁界検知層１５を介して磁気的に強く結合している。この場合，外部磁界検知層１５を介したピン層１４３，１６１の磁気結合が大きいので，ピニング層１３，１７のいずれか一方を省略可能である。
【０１１２】
磁気抵抗効果膜１０ＥＡ，１０ＥＢにおいては，ピン層１４側にのみピニング層１３が配置され，ピン層１４が磁気的に固着されている。磁気抵抗効果膜１０ＥＡはピニング層１３が反強磁性層１３１からなり，シンセティックピン構造を有する。磁気抵抗効果膜１０Ｂはピニング層１３がハード磁性層１３２からなり，シンセティックピン構造を有する。ピン層１６１は，ピン層１４３からの磁気結合によって磁化固着される。結果として，ピニング層１３をピン層１４，１６で共用したことになる。
【０１１３】
磁気抵抗効果膜１０ＥＣ，１０ＥＤにおいては，ピン層１６側にのみピニング層１７が配置され，ピン層１６が磁気的に固着される。磁気抵抗効果膜１０ＥＣはピニング層１７が反強磁性層１７１からなり，シンセティックピン構造を有する。磁気抵抗効果膜１０ＥＤは，ピニング層１７がハード磁性層１７２からなり，シンセティックピン構造を有する。
磁気抵抗効果膜１０ＥＡ〜１０ＥＤはすべてシンセティックピン構造を有する実施例であった。シンセティックピン構造の換わりに，単層ピン構造を用いることも可能である。
【０１１４】
積層膜構成Ｆ    複数の外部磁界検知層１５を有する場合
図３５，図３６は，複数の外部磁界検知層１５を有する磁気抵抗効果膜１０ＦＡ，１０ＦＢの構成例を示す斜視図である。
この構成はメカニズム（３）で磁気抵抗効果が発現する場合に有効である。外部磁界検知層１５が複数ある場合，積層膜構造上，ピン層のうち一部がピニング層１３に直接接しなくなる。しかし，メカニズム（３）により磁気抵抗効果が発現する場合には，外部磁界検知層１５を介して上下磁性層（ピン層）が磁気的に結合する。このため，このような構造も可能となる。この構成では，磁気抵抗変化率を生じる重要な層である外部磁界検知層１５が複数層となることで，磁気抵抗変化率を層数に応じて増やすことが可能になる。
【０１１５】
磁気抵抗効果膜１０ＦＡは，ピニング層１３として反強磁性層１３１を用いたシンセティックピン構造を有する。但し，反強磁性層１３１の換わりに，ピニング層１３としてハード磁性層１３２を用いても構わない。
シンセティックピン構造のピン層１４上に外部磁界検知層１５ａが設けられ，その上に，ピン層１６１ａが設けられる。ピン層１４３とピン層１６１ａは外部磁界検知層１５ａを介して強く磁気結合をしている。
ピン層１６１ａ上に外部磁界検知層１５ｂおよびピン層１６１ｂが設けられる。ピン層１６１ａ，１６１ｂは外部磁界検知層１５ｂを介し，ピニング層１３によりピニングされる。
つまり，ピニング層１３が１層だけの場合でも，複数の外部磁界検知層１５ａ，１５ｂを介し，複数のピン層１６１ａ，１６１ｂの磁化固着が可能となる。外部磁界検知層１５ａ，１５ｂが複数層であることから，その数に比例する磁気抵抗変化率の上昇が可能となる。
【０１１６】
磁気抵抗効果膜１０ＦＢにおいては，磁気抵抗効果膜１０ＦＡと同様に，ピニング層１３が下層側に１層設けられ，シンセティックピン構造を有する。磁気抵抗効果膜１０ＦＢは，ピニング層１３として反強磁性層１３１が用いられている。但し，反強磁性層１３１の換わりにハード磁性層１３２を用いても構わない。
磁気抵抗効果膜１０ＦＢでは，磁気抵抗効果膜１０ＦＡと比べて，外部磁界検知層１５の数がさらに１層増え，３層となっている。外部磁界検知層１５の数が多くなったことに伴い，磁気抵抗変化率の値を上昇させることが可能となる。複数層の外部磁界検知層１５ａ，１５ｂ，１５ｃを介して，ピニング層１３によってピン層１６１ａ〜１６１ｃがピニングされる。
【０１１７】
（磁気抵抗効果素子の応用）
以下，本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子（スペーサ層レススピンバルブ素子）の応用について説明する。
本発明の実施形態において，スペーサ層レススピンバルブ素子の素子抵抗ＲＡは，高密度対応の観点から，２０００ｍΩμｍ２以下が好ましく，１０００ｍΩμｍ２以下がより好ましい。素子抵抗ＲＡを算出する場合には，ＣＰＰ素子の抵抗Ｒにスピンバルブ膜の通電部分の実効面積Ａを掛け合わせる。ここで，素子抵抗Ｒは直接測定できる。一方，スピンバルブ膜の通電部分の実効面積Ａは素子構造に依存する値であるため，その決定には注意を要する。
【０１１８】
例えば，スピンバルブ膜の全体を実効的にセンシングする領域としてパターニングしている場合には，スピンバルブ膜全体の面積が実効面積Ａとなる。この場合，素子抵抗を適度に設定する観点から，スピンバルブ膜の面積を少なくとも０．０４μｍ２以下にし，２００Ｇｂｐｓｉ以上の記録密度では０．０２μｍ２以下にする。
【０１１９】
しかし，スピンバルブ膜に接してスピンバルブ膜より面積の小さい下電極１１または上電極２０を形成した場合には，下電極１１または上電極２０の面積がスピンバルブ膜の実効面積Ａとなる。下電極１１または上電極２０の面積が異なる場合には，小さい方の電極の面積がスピンバルブ膜の実効面積Ａとなる。この場合，素子抵抗を適度に設定する観点から，小さい方の電極の面積を少なくとも０．０４μｍ２以下にする。
【０１２０】
後に詳述する図３７，図３８の実施例の場合，図３７でスピンバルブ膜の面積が一番小さいところは上電極２０と接触している部分なので，その幅をトラック幅Ｔｗとして考える。また，ハイト方向に関しては，図３８においてやはり上電極２０と接触している部分が一番小さいので，その幅をハイト長Ｄとして考える。スピンバルブ膜の実効面積Ａは，Ａ＝Ｔｗ×Ｄとして考える。
【０１２１】
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子では，電極間の抵抗Ｒを１００Ω以下にすることができる。この抵抗Ｒは，例えばヘッドジンバルアセンブリー（ＨＧＡ）の先端に装着した再生ヘッド部の２つの電極パッド間で測定される抵抗値である。
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子において，ピン層１４，１６がｆｃｃ構造である場合には，ｆｃｃ（１１１）配向性をもつことが望ましい。ピン層１４，１６がｂｃｃ構造をもつ場合には，ｂｃｃ（１１０）配向性をもつことが望ましい。ピン層１４，１６がｈｃｐ構造をもつ場合には，ｈｃｐ（００１）配向またはｈｃｐ（１１０）配向性をもつことが望ましい。
【０１２２】
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の結晶配向性は，配向のばらつき角度で５．０度以内が好ましく，３．５度以内がより好ましく，３．０度以内がさらに好ましい。これは，Ｘ線回折のθ−２θ測定により得られるピーク位置でのロッキングカーブの半値幅として求められる。また，素子断面からのナノディフラクションスポットでのスポットの分散角度として検知することができる。
【０１２３】
ピニング層１３として反強磁性層を用いた場合には，反強磁性膜の材料にも依存するが，一般的に反強磁性膜とピン層では格子間隔が異なるため，それぞれの層においての配向分散角度を別々に算出することが可能である。例えば，イリジウムマンガン（ＩｒＭｎ）とピン層では，格子間隔が異なることが多い。イリジウムマンガン（ＩｒＭｎ）は比較的厚い膜であるため，結晶配向の分散角度測定するのには適した材料である。
【０１２４】
（磁気ヘッド）
図３７および図３８は，本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに組み込んだ状態を示している。図３７は，磁気記録媒体（図示せず）に対向する媒体対向面に対してほぼ平行な方向に磁気抵抗効果素子を切断した断面図である。図３８は，この磁気抵抗効果素子を媒体対向面ＡＢＳに対して垂直な方向に切断した断面図である。
【０１２５】
図３７および図３８に例示した磁気ヘッドは，いわゆるハード・アバッテッド（hard abutted）構造を有する。磁気抵抗効果膜１０は上述したスペーサ層レススピンバルブ膜である。磁気抵抗効果膜１０の上下には，下電極１１と上電極２０とがそれぞれ設けられている。図３７において，磁気抵抗効果膜１０の両側面には，バイアス磁界印加膜４１と絶縁膜４２とが積層して設けられている。図３８に示すように，磁気抵抗効果膜１０の媒体対向面には保護層４３が設けられている。
【０１２６】
磁気抵抗効果膜１０に対するセンス電流は，その上下に配置された下電極１１，上電極２０によって矢印Ａで示したように，膜面に対してほぼ垂直方向に通電される。また，左右に設けられた一対のバイアス磁界印加膜４１，４１により，磁気抵抗効果膜１０にはバイアス磁界が印加するのも好ましい例である。このバイアス磁界により，磁気抵抗効果膜１０の外部磁界検知層１５を単磁区化する。この結果，外部磁界検知層１５の磁区構造が安定化し，磁壁の移動に伴うバルクハウゼンノイズ（Barkhausen noise）を抑制できる。ただし，外部磁界検知層１５が磁化を有しない場合（磁気抵抗効果のメカニズム（１），（２）の場合）では，バイアス磁界印加膜を用いなくても良い場合もある。
磁気抵抗効果膜１０のＳ／Ｎ比が向上しているので，磁気ヘッドに応用した場合に高感度の磁気再生が可能となる。
【０１２７】
（ハードディスクおよびヘッドジンバルアセンブリー）
図３７および図３８に示した磁気ヘッドは，記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込んで，磁気記録再生装置に搭載することができる。
図３９は，このような磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。すなわち，本実施形態の磁気記録再生装置１５０は，ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において，磁気ディスク２００は，スピンドル１５２に装着され，図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。本実施形態の磁気記録再生装置１５０は，複数の磁気ディスク２００を備えてもよい。
【０１２８】
磁気ディスク２００に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３は，薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられている。ヘッドスライダ１５３は，上述したいずれかの実施形態に係る磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。
磁気ディスク２００が回転すると，ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は磁気ディスク２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。あるいはスライダが磁気ディスク２００と接触するいわゆる「接触走行型」でもよい。
【０１２９】
サスペンション１５４はアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には，リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は，ボビン部に巻かれた図示しない駆動コイルと，このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。
アクチュエータアーム１５５は，スピンドル１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され，ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。
【０１３０】
図４０は，アクチュエータアーム１５５から先のヘッドジンバルアセンブリーをディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち，アセンブリ１６０は，アクチュエータアーム１５５を有し，アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。サスペンション１５４の先端には，上述したいずれかの実施形態に係る磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドを具備するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。サスペンション１５４は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１６４を有し，このリード線１６４とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１６５はアセンブリ１６０の電極パッドである。
本実施形態によれば，上述の磁気抵抗効果素子を含む磁気ヘッドを具備することにより，高い記録密度で磁気ディスク２００に磁気的に記録された情報を確実に読み取ることが可能となる。
【０１３１】
（磁気メモリ）
次に，本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を搭載した磁気メモリについて説明する。すなわち，本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いて，例えばメモリセルがマトリクス状に配置されたランダムアクセス磁気メモリ（ＭＲＡＭ： magnetic random access memory）などの磁気メモリを実現できる。
【０１３２】
図４１は，本発明の実施形態に係る磁気メモリのマトリクス構成の一例を示す図である。この図は，メモリセルをアレイ状に配置した場合の回路構成を示す。アレイ中の１ビットを選択するために，列デコーダ３５０，行デコーダ３５１が備えられており，ビット線３３４とワード線３３２によりスイッチングトランジスタ３３０がオンになり一意に選択され，センスアンプ３５２で検出することにより磁気抵抗効果膜１０中の磁気記録層（フリー層）に記録されたビット情報を読み出すことができる。ビット情報を書き込むときは，特定の書き込みワード線３２３とビット線３２２に書き込み電流を流して発生する磁場を印加する。
【０１３３】
図４２は，本発明の実施形態に係る磁気メモリのマトリクス構成の他の例を示す図である。この場合，マトリクス状に配線されたビット線３２２とワード線３３４とが，それぞれデコーダ３６０，３６１により選択されて，アレイ中の特定のメモリセルが選択される。それぞれのメモリセルは，磁気抵抗効果素子１０とダイオードＤとが直列に接続された構造を有する。ここで，ダイオードＤは，選択された磁気抵抗効果素子１０以外のメモリセルにおいてセンス電流が迂回することを防止する役割を有する。書き込みは，特定のビット線３２２と書き込みワード線３２３とにそれぞれに書き込み電流を流して発生する磁場により行われる。
【０１３４】
図４３は，本発明の実施形態に係る磁気メモリの要部を示す断面図である。図４４は，図４３のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。これらの図に示した構造は，図４１または図４２に示した磁気メモリに含まれる１ビット分のメモリセルに対応する。このメモリセルは，記憶素子部分３１１とアドレス選択用トランジスタ部分３１２とを有する。
【０１３５】
記憶素子部分３１１は，磁気抵抗効果素子１０と，これに接続された一対の配線３２２，３２４とを有する。磁気抵抗効果素子１０は，上述した実施形態に係る磁気抵抗効果素子である。
一方，アドレス選択用トランジスタ部分３１２には，ビア３２６および埋め込み配線３２８を介して接続されたトランジスタ３３０が設けられている。このトランジスタ３３０は，ゲート３３２に印加される電圧に応じてスイッチング動作をし，磁気抵抗効果素子１０と配線３３４との電流経路の開閉を制御する。
また，磁気抵抗効果素子１０の下方には，書き込み配線３２３が，配線３２２とほぼ直交する方向に設けられている。これら書き込み配線３２２，３２３は，例えばアルミニウム（Ａｌ），銅（Ｃｕ），タングステン（Ｗ），タンタル（Ｔａ）あるいはこれらいずれかを含む合金により形成することができる。
【０１３６】
このような構成のメモリセルにおいて，ビット情報を磁気抵抗効果素子１０に書き込むときは，配線３２２，３２３に書き込みパルス電流を流し，それら電流により誘起される合成磁場を印加することにより磁気抵抗効果素子の記録層の磁化を適宜反転させる。
また，ビット情報を読み出すときは，配線３２２と，磁気記録層を含む磁気抵抗効果素子１０と，下電極３２４とを通してセンス電流を流し，磁気抵抗効果素子１０の抵抗値または抵抗値の変化を測定する。
本発明の実施形態に係る磁気メモリは，上述した実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いることにより，セルサイズを微細化しても，記録層の磁区を確実に制御して確実な書き込みを確保でき，且つ，読み出しも確実に行うことができる。
【０１３７】
（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
磁気抵抗効果膜の具体的な構造や，その他，電極，バイアス印加膜，絶縁膜などの形状や材質に関しては，当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し，同様の効果を得ることができる。
例えば，磁気抵抗効果素子を再生用磁気ヘッドに適用する際に，素子の上下に磁気シールドを付与することにより，磁気ヘッドの検出分解能を規定することができる。
【０１３８】
また，本発明の実施形態は，長手磁気記録方式のみならず，垂直磁気記録方式の磁気ヘッドあるいは磁気再生装置についても適用できる。
さらに，本発明の磁気再生装置は，特定の記録媒体を定常的に備えたいわゆる固定式のものでも良く，一方，記録媒体が差し替え可能ないわゆる「リムーバブル」方式のものでも良い。
その他，本発明の実施形態として上述した磁気ヘッドおよび磁気記憶再生装置を基にして，当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気抵抗効果素子，磁気ヘッド，磁気記憶再生装置および磁気メモリも同様に本発明の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【０１３９】
【図１】本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を表す斜視図である。
【図２】実施形態に係る磁気抵抗効果膜の基本構成を表す斜視図である。
【図３】従来のスピンバルブ膜の基本構成を表す斜視図である。
【図４Ａ】磁気抵抗効果の発現メカニズムを表す模式図である。
【図４Ｂ】磁気抵抗効果の発現メカニズムを表す模式図である。
【図５】磁気抵抗効果素子の製造手順の一例を表すフロー図である。
【図６】磁気抵抗効果素子の製造に用いられる成膜装置の概略を示す模式図である。
【図７】実施例に係る磁気抵抗効果膜の断面ＴＥＭ写真である。
【図８】磁気抵抗効果膜の形成時の酸素フロー量と磁気抵抗変化率との関係を表すグラフである。
【図９】上下のピン層がともにシンセティックピン構造の磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図１０】上下のピン層がともにシンセティックピン構造の磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図１１】上下のピン層がともにシンセティックピン構造の磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図１２】上下のピン層がともにシンセティックピン構造の磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図１３】上下のピン層がともにシンセティックピン構造の磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図１４】上下のピン層がともにシンセティックピン構造の磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図１５】上下のピン層がともに単層ピン構造の磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図１６】上下のピン層がともに単層ピン構造の磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図１７】上下のピン層がともに単層ピン構造の磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図１８】上下のピン層がともに単層ピン構造の磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図１９】上下のピン層がともに単層ピン構造の磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図２０】上下のピン層がともに単層ピン構造の磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図２１】上下のピン層の一方がシンセティックピン構造で，他方が単層ピン層の磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図２２】上下のピン層の一方がシンセティックピン構造で，他方が単層ピン層の磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図２３】上下のピン層の一方がシンセティックピン構造で，他方が単層ピン層の磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図２４】上下のピン層の一方がシンセティックピン構造で，他方が単層ピン層の磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図２５】上下のピン層の一方がシンセティックピン構造で，他方が単層ピン層の磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図２６】上下のピン層の一方がシンセティックピン構造で，他方が単層ピン層の磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図２７】上下のピン層の一方がシンセティックピン構造で，他方が単層ピン層の磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図２８】上下のピン層の一方がシンセティックピン構造で，他方が単層ピン層の磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図２９】上下のピン層の一方がシンセティックピン構造で，他方が単層ピン層の磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図３０】上下のピン層の一方がシンセティックピン構造で，他方が単層ピン層の磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図３１】ピニング層が１層の磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図３２】ピニング層が１層の磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図３３】ピニング層が１層の磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図３４】ピニング層が１層の磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図３５】複数の外部磁界検知層を有する磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図３６】複数の外部磁界検知層を有する磁気抵抗効果膜の構成例を示す斜視図である。
【図３７】本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに組み込んだ状態を示す図である。
【図３８】本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに組み込んだ状態を示す図である。
【図３９】磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。
【図４０】アクチュエータアームから先のヘッドジンバルアセンブリーをディスク側から眺めた拡大斜視図である。
【図４１】本発明の実施形態に係る磁気メモリのマトリクス構成の一例を示す図である。
【図４２】本発明の実施形態に係る磁気メモリのマトリクス構成の他の例を示す図である。
【図４３】本発明の実施形態に係る磁気メモリの要部を示す断面図である。
【図４４】図１８のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。
【符号の説明】
【０１４０】
１０…磁気抵抗効果膜，１１…下電極，１２…下地層，１３，１７…ピニング層，１３１，１７１…反強磁性層，１３２，１７２…ハード磁性層，１４（１４１，１４２，１４３），１６（１６１，１６２，１６３）…ピン層，１５…外部磁界検知層，１８…キャップ層，２０…上電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図７】
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